木棉纖維性能及其應(yīng)用進(jìn)展*

江西服裝學(xué)院服裝工程學(xué)院， 江西 南昌 330201

木棉纖維被譽(yù)為“植物軟黃金”[1]和“長(zhǎng)在樹上的羊絨”[2]，具有天然環(huán)保、中空質(zhì)輕、保暖性佳、吸濕導(dǎo)濕、天然抗菌等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于紡織服裝領(lǐng)域[3]。近年來(lái)，隨著對(duì)木棉纖維性能的不斷研究，以及新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，木棉纖維在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用有了極大的進(jìn)展。木棉類紗線及面料的品種和功能在日益增加，木棉類絮料和填充料的保暖性和蓬松性提升也很明顯。除此之外，木棉纖維因具有極佳的吸附性和生物可降解性等優(yōu)勢(shì)，在油污處理和吸附過(guò)濾方面?zhèn)涫芮嗖A[4]。再加上木棉纖維具有可再生性。這些都使得木棉纖維在當(dāng)前追求綠色、環(huán)保、生態(tài)、自然的大環(huán)境下成為一種極具發(fā)展前景的新型生態(tài)紡織材料。

本文從木棉纖維的形態(tài)入手，結(jié)合木棉纖維的性能，總結(jié)木棉纖維在紡織上的應(yīng)用進(jìn)展，以期為木棉纖維相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用提供理論參考。

1 木棉纖維的形態(tài)

木棉纖維是一種纖維素纖維，多來(lái)源于攀枝花樹、英雄樹和烽火樹等木本植物的果實(shí)，屬單細(xì)胞果實(shí)纖維。木棉纖維因與蒴果殼體內(nèi)壁的附著力小，故極易分離得到。常見的木棉纖維顏色有黃色、白色及黃棕色三種。

木棉纖維的形態(tài)如圖1所示：纖維的橫截面為橢圓形，具有中空結(jié)構(gòu)(中空率高達(dá)80%～90%)，細(xì)胞壁較薄(壁厚為0.5～2.0 μm)，為亞納米級(jí)材料，纖維壁斷面有微孔呈現(xiàn)；纖維縱向平直光滑，無(wú)轉(zhuǎn)曲，光澤好；纖維根部呈封閉狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)充滿空氣，纖維外壁有類似蠟質(zhì)的物質(zhì)存在。

(a) 纖維橫截面 (b) 纖維縱向 (c) 纖維根部

2 木棉纖維的化學(xué)成分

木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維的化學(xué)成分含量見表1所示[5]。

由表1可知，木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維在化學(xué)成分上存在明顯的差異。木棉纖維中纖維素含量不超過(guò)50.0%，而棉纖維中纖維素含量則高達(dá)93.9%。木棉纖維的化學(xué)成分更接近苧麻纖維，這就決定了木棉纖維在紡紗時(shí)更應(yīng)參考苧麻纖維類產(chǎn)品的加工和處理工藝。

表1 木棉纖維與棉纖維、苧麻纖維的化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

3 木棉纖維的性能

3.1 基本性能

大量研究表明：木棉纖維的應(yīng)用與其結(jié)構(gòu)和基本性能密切相關(guān)。木棉纖維的基本性能見表2[6]。

表2 木棉纖維的基本性能

3.2 可紡性

由表2可知，木棉纖維長(zhǎng)度短(為8～34 mm)，線密度低(僅為0.9～3.2 dtex)，扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)7.15×10-3cN·cm2/tex，加之表面光滑，故木棉纖維的可紡性差，紡制的紗線毛羽較多、強(qiáng)度較低，這極大地限制了木棉纖維在紡紗中的使用，尤其是木棉纖維純紡紗線的紡制。常見的改變或提高木棉纖維可紡性的主要方法：(1)與其他纖維或新型纖維混紡。如王靜[7]將木棉纖維與咖啡碳纖維混紡，成功紡出14.5 tex的抗菌保暖針織用紗。(2)發(fā)展新型紡紗技術(shù)與紡紗工藝。如邵衛(wèi)兵等[8]利用緊密紡紡紗技術(shù)紡制出18.2 tex 的精梳棉/木棉/三維卷曲彈性聚酯短纖混紡紗。周思捷等[9]利用嵌入式復(fù)合紡紗技術(shù)紡制出亞麻/木棉/棉/黏膠(21/33/23/23)多組分混紡紗線。(3)對(duì)木棉纖維進(jìn)行表面修飾，使木棉纖維表面形成毛刺，增強(qiáng)纖維間抱合力，從而提高木棉纖維的可紡性。常見的表面修飾方法有等離子體法[10]、超聲波處理法[11]、堿處理法[12]等。

3.3 吸附性

由于木棉纖維含有中空內(nèi)腔和蠟質(zhì)表面，再加上木棉纖維含有較高的木質(zhì)素，木質(zhì)素中的甲醛基團(tuán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為13.0%)使得木棉纖維對(duì)非極性液體有較高的吸附能力，故木棉纖維可用作深層過(guò)濾，以實(shí)現(xiàn)油水分離，被廣泛應(yīng)用于去油污領(lǐng)域。DONG等[13]研究發(fā)現(xiàn)，木棉纖維的表面能低(40.64 mN/m)，水接觸角大(151°)，具有高度的疏水性和油潤(rùn)濕性。HUANG等[14]將木棉纖維用作過(guò)濾器用過(guò)濾材料，研究了木棉纖維對(duì)柴油和液壓油的吸附作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木棉纖維具有優(yōu)良的油水分離作用，其對(duì)柴油和液壓油的過(guò)濾效率分別達(dá)到了100.0%和99.4%。目前，油水過(guò)濾用木棉纖維材料的研究熱點(diǎn)集中在木棉纖維的改性處理方面，具體可通過(guò)物理涂層或接枝共聚或酯化修飾等方式改善或增強(qiáng)其吸油性能[15-16]。

此外，木棉纖維的吸附性還表現(xiàn)在吸聲方面。這是因?yàn)槟久蘩w維大長(zhǎng)徑比與高中空率增大了聲音與纖維的摩擦面積。XIANG等[17]研究表明木棉纖維具有良好的阻尼性能，與相同厚度的商用玻璃棉和脫脂棉組件相比，體積密度小得多的木棉纖維組件具有與之相似的吸聲系數(shù)。因此，木棉纖維可用作輕質(zhì)環(huán)保吸聲材料。

3.4 保暖性

木棉纖維具有較大的中空結(jié)構(gòu)，中空率高達(dá)80%～90%，可握持大量的靜止空氣，保暖效果好，多用于制備保暖絮片、填充料等。張振方等[18]研究發(fā)現(xiàn)，木棉散纖維的升溫速率和降溫速率略高于羽絨，壓縮后的木棉集合體保暖性能有所下降，其保暖性與木棉集合體的體積密度密切相關(guān)。劉茜[19]研究了羊毛、腈綸、木棉纖維及鵝絨4種絮填纖維集合體的保暖性能，得出在相同體積密度下，絮填纖維集合體的保暖性排序?yàn)檠蛎?鵝絨>木棉纖維>腈綸。因此在研究木棉纖維類保暖材料時(shí)，對(duì)木棉纖維集合體的壓縮性和蓬松性的研究不可或缺[20]。

3.5 抗菌性

木棉纖維還具有天然的抗菌防螨、防霉防蛀等功能。依據(jù)東華大學(xué)王府梅教授帶領(lǐng)的木棉纖維研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)試結(jié)果，木棉纖維產(chǎn)品的抗菌性能歸納于表3[21]。

表3 木棉纖維產(chǎn)品的抗菌性能

4 木棉纖維的應(yīng)用

4.1 絮填材料

木棉纖維的大中空結(jié)構(gòu)可握持大量的靜止空氣，使其具有良好的保暖效果，可作為保暖類絮填材料用于被褥、枕頭、棉服等。王樹山[22]利用木棉纖維的防螨和防蛀性能，將攀枝花木棉纖維作為主要填充材料，制備了中醫(yī)保健枕。此外，還可將木棉纖維填充到保暖按摩床褥中，配以球面狀的凸起結(jié)構(gòu)，起到保健按摩、緩解疲勞的效果。李會(huì)改等[23]將木棉纖維與三維卷曲中空滌綸、羽絨三者混合層鋪，用作春秋季睡袋填充料，但睡袋的保暖性能與絮料的壓縮性和蓬松性密切相關(guān)。大量的研究表明，木棉纖維的壓縮彈性較差，纖維集合體易被壓扁氈化，尤其是在濕、熱條件和反復(fù)持久的壓縮下，木棉纖維產(chǎn)品的蓬松性變差，柔軟性和保暖性下降很快，產(chǎn)品使用效果受影響。基于此，東華大學(xué)木棉纖維研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出“持久柔軟保暖的木棉絮片的制造技術(shù)”，解決了木棉纖維反復(fù)使用后保暖性下降這一問(wèn)題。此外，李素英等[24]利用非織造技術(shù)將木棉纖維與滌綸加工成結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的非織造材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)面密度為145 g/m2時(shí)非織造材料的均勻性、透氣量、保暖性和壓縮彈性最優(yōu)。楊藝丹等[25]利用針刺工藝和熱風(fēng)黏合工藝，將木棉纖維與羊絨、遠(yuǎn)紅外滌綸、ES纖維混合，制備出保暖性佳、蓬松度高、壓縮回彈性大的多組分非織造絮填材料，為多組分木棉纖維絮料的開發(fā)提供了思路。以往絮填材料以棉花、羽絨為主，隨著木棉纖維的研究與開發(fā)，多組分復(fù)合功能的木棉纖維類絮填材料將具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4.2 紗線與面料

木棉纖維的可紡性差，這一方面限制了木棉纖維純紡紗線的開發(fā)，另一方面促使了木棉纖維混紡紗線的發(fā)展。且隨著紡紗技術(shù)的發(fā)展和新型紡紗技術(shù)的研發(fā)，木棉纖維除了與天然纖維(棉、羊毛、羊絨等)混紡制備普通紗線外，還與化學(xué)纖維(咖啡碳纖維、抗紫外纖維等)混紡制備功能性紗線。常用的紡紗方法有環(huán)錠紡、氣流紡及緊密紡等[26]。木棉纖維具有質(zhì)輕、柔軟、抗靜電、吸濕導(dǎo)濕、不霉不蛀、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，其產(chǎn)品廣受消費(fèi)者青睞。目前，木棉纖維已被用于制作高效保暖內(nèi)衣[27]、中高檔的機(jī)織面料[28]和針織面料[29]。且隨著紡紗和織造技術(shù)的進(jìn)步，木棉纖維多組分混紡紗線、多功能復(fù)合型木棉纖維面料將得到更多的發(fā)展，木棉纖維與其他行業(yè)的結(jié)合潛力無(wú)限。

4.3 浮力材料

木棉纖維是迄今為止最輕的一種天然纖維，密度只有棉纖維的1/5，且木棉纖維的中空率達(dá)80%～90%，故木棉纖維浮力較大，可用于制備浮力材料。松散狀態(tài)下，首次使用的優(yōu)質(zhì)木棉材料在水中能浮起大于自身20多倍的質(zhì)量，如200～300 g的木棉材料足以浮起1位成年人[30]。衣衛(wèi)京等[31]在研究木棉/三維卷曲中空滌綸混配集合體制備救生衣浮力材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，纖維細(xì)度是影響纖維集合體浮力行為的重要因素。肖紅等[32]利用低熔點(diǎn)纖維把木棉纖維固結(jié)成絮，提高了木棉纖維集合體的浮力，且比木棉/三維卷曲中空滌綸混配集合體具有更好的耐壓縮性能, 能提供更大的浮力。由于木棉纖維長(zhǎng)時(shí)間使用和存放時(shí)，纖維集合體易被壓縮，故使用時(shí)應(yīng)多加注意。

4.4 吸油材料

木棉纖維具有疏水親油性，再加上其獨(dú)有的薄壁大中空結(jié)構(gòu)，纖維對(duì)油有著優(yōu)秀的吸附能力。孫向玲[33]研究發(fā)現(xiàn)，木棉纖維與水的靜態(tài)接觸角大于130°，與機(jī)油、廢油和色拉油的靜態(tài)接觸角均小于60°，這說(shuō)明木棉纖維是一種優(yōu)良的疏水親油性纖維。崔美琪[34]將木棉纖維、滌綸與ES纖維結(jié)合制備出三組分集合體吸油材料，24 h內(nèi)的保油率在80%以上，除油效果在97%以上，對(duì)于機(jī)油、植物油、柴油的吸油倍率均在30.00 g/g以上。雖然木棉纖維具有較高的飽和吸油能力，但其重復(fù)使用性差。因此，為提高木棉纖維集合體的重復(fù)使用性，周小三[35]將豬毛和輪胎粉分別與木棉纖維混合，制備出木棉-豬毛復(fù)合吸油材料和木棉-輪胎粉復(fù)合吸油材料，試驗(yàn)結(jié)果證明：這兩種復(fù)合吸油材料的重復(fù)使用性能相對(duì)于純木棉纖維吸油材料有所提高,且木棉-豬毛復(fù)合吸油材料的飽和吸油量比木棉-輪胎粉復(fù)合吸油材料的飽和吸油量的疊加值高。曹勝彬[36]研究發(fā)現(xiàn)，木棉散纖維的吸油倍率為25.79 g/g，高于蒲絨散纖維的11.91 g/g和棉纖維的14.98 g/g；結(jié)合有纖維濾材的油水分離裝置實(shí)現(xiàn)了集油水分離、纖維濾芯離心脫油后循環(huán)利用和油液再回收功能于一體的效果。至于如何改善和提高木棉纖維及其集合體的吸油性能，尤其是木棉纖維的循環(huán)利用，仍將是木棉纖維作為吸油材料需關(guān)注和解決的重要問(wèn)題。

5 結(jié)論

作為一種可再生的天然植物纖維，木棉纖維來(lái)源豐富，除具有吸濕導(dǎo)濕、抗菌防螨、中空保暖、超輕柔軟等性能外，還具有良好的生物相容性和可生物降解性，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注，具有較大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)價(jià)值。隨著對(duì)木棉纖維研究的深入及木棉纖維相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用新型紡紗技術(shù)開發(fā)多組分、多功能的木棉纖維系列復(fù)合紗線顯得尤為重要。

此外，隨著對(duì)綠色環(huán)保的追求，如何充分發(fā)揮木棉纖維的性能優(yōu)勢(shì)，增加其在高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用，如利用其高中空及疏水親油的特性，開發(fā)環(huán)?？裳h(huán)利用的復(fù)合材料，將是今后研究的重點(diǎn)和方向。

綠水青山就是金山銀山